王景春,趙福全,何旭升,王炳華

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043； 2.南寧軌道交通集團有限責任公司, 南寧 530029)

引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市地鐵工程的規(guī)模也正在逐年擴大。圍巖作為城市地鐵隧道系統(tǒng)中的重要組成部分，其安全性影響著整個地鐵系統(tǒng)。在隧道規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)施工期間，因?qū)鷰r的工程屬性的認識不充分，造成圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的工程事故時有發(fā)生。為了促進地鐵工程的健康發(fā)展，減少圍巖工程事故的發(fā)生，需要對圍巖的工程屬性有更進一步合理的認識。

近年來，許多專家學者對圍巖的工程性能進行了研究。王建宗等[1]通過等級概念云圖確定了隧道圍巖穩(wěn)定性等級，并給出了相應(yīng)的評價方法。王鳳菲等[2]則利用組合賦權(quán)-未確知測度理論對城市地鐵隧道圍巖質(zhì)量進行了評價。李術(shù)才等[3]通過分析巖石強度、巖體完整程度等評價指標的概率分布規(guī)律，引入體系可靠度分析理論，構(gòu)建不同圍巖等級的功能函數(shù)，提出了圍巖亞級分級可靠度分析方法。陳鵬宇等[4]從相似度和差異度兩方面建立了支持度數(shù)學定義，以整體數(shù)據(jù)對每種基礎(chǔ)評價方法評價結(jié)果的綜合支持度作為權(quán)重，建立了隧道圍巖質(zhì)量分級的評價方法。董捷等[5]則結(jié)合Hoek-Brown強度準則，建立了基于圍巖宏觀力學參數(shù)分級模型。柳厚祥等[6]將深度學習技術(shù)應(yīng)用到隧道圍巖分級。上述方法對圍巖工程性質(zhì)的研究大都從巖體本身的結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)特征的角度出發(fā)，缺乏對圍巖在不同條件干擾下，繼續(xù)維持系統(tǒng)平衡能力的探索。

結(jié)合城市地鐵的特殊性，對地鐵隧道圍巖韌性進行研究。20世紀70年代，韌性概念由加拿大生態(tài)學家Holling[7]最先引入到生態(tài)系統(tǒng)中，將其表述為生態(tài)系統(tǒng)在受到擾動后能夠還原到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。在此之后，越來越多的研究者參與到韌性研究中，涉及的范圍也逐步擴展到工程韌性、社會韌性等諸多領(lǐng)域[8]。地鐵作為現(xiàn)代化大城市重要子系統(tǒng)之一，在一定程度上也影響了一個城市的韌性度[9]。有鑒于此，將韌性理論應(yīng)用到城市地鐵隧道圍巖當中，通過歐式距離法實現(xiàn)地鐵隧道圍巖韌性評估過程，對圍巖的工程屬性有更進一步的認識。

1 地鐵隧道圍巖韌性

韌性概念的提出為研究社會復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)提供了一條新的重要途徑。MACASKILL等[10]認為系統(tǒng)韌性沒有嚴格統(tǒng)一的概念，各個領(lǐng)域需要根據(jù)其實際應(yīng)用進行定義。HOLLNAGEL等[11]指出韌性理論強調(diào)，系統(tǒng)安全不應(yīng)被看作不存在不期望事件，而應(yīng)視為系統(tǒng)在不同條件或者風險沖擊的情況下依然能夠保持正常運行的能力。隨著對系統(tǒng)認識的進一步加深，WALKER等[12]提出了演進韌性的概念，認為系統(tǒng)不存在穩(wěn)定狀態(tài)，指出韌性強調(diào)系統(tǒng)在不斷變化的環(huán)境下能夠適應(yīng)、轉(zhuǎn)換的能力。

基于對韌性理論內(nèi)涵的理解，結(jié)合圍巖的實際背景，地鐵隧道圍巖韌性定義為在多種風險因素的復(fù)合干擾下，地鐵隧道圍巖具有一定的防范能力，從而避免圍巖破壞，依然保持圍巖處于平衡狀態(tài)的工程屬性。

韌性概念的產(chǎn)生常與韌性評估的發(fā)展互相配合。FRANCIS等[13]通過對韌性的定義和韌性評估框架的研究，指出韌性評估框架主要包括5個方面，分別為韌性能力、系統(tǒng)要素識別、脆弱性分析、系統(tǒng)客觀背景和決策者認知，如圖1所示。

圖1 韌性評估框架

圖2 地鐵隧道圍巖韌性評估模型

由FRANCIS等人給出的韌性評估框架，根據(jù)地鐵隧道圍巖韌性定義，結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)范[14-15]和諸多學者[16-21]對圍巖的研究探索，從巖體性質(zhì)、現(xiàn)場施工和設(shè)計方案3個主要影響方面甄選出8個具有代表性、能夠反映圍巖韌性特性的評估指標，構(gòu)建了如圖2所示的地鐵隧道圍巖韌性評估模型。其中，Y表示評估指標所對應(yīng)的具體韌性特性。

該模型直觀地反映了地鐵隧道圍巖干擾的整個動態(tài)過程，影響方面與干擾過程對應(yīng)密切，并將各影響方面中的最具代表性的影響因素作為韌性評估指標。從圍巖的吸收能力、適應(yīng)能力和恢復(fù)能力3個韌性特性出發(fā)與評估指標進行對應(yīng)，使得該評估模型的可行性高，可操作性強。

2 地鐵隧道圍巖韌性評估

2.1 確定評估指標等級

對圖2圍巖韌性評估框架中給出的8個評估指標進行等級劃分，依次代表圍巖的韌性：差(1級)、較差(2級)、一般(3級)、較好(4級)、好(5級)，具體劃分情況見表1。由于表1給出的評估指標大都以量化區(qū)間和模糊性描述，為方便計算，對于有區(qū)間范圍取值的評估指標，按照該等級所對應(yīng)的最小值取值，對于模糊性描述的評估指標，按照該指標對韌性影響的利弊程度量化為1～5五個分值，分別對應(yīng)地鐵隧道圍巖韌性的1～5五個等級，具體量化描述見表2。

表1 評估指標等級劃分

注:D表示隧道等效直徑，B為隧道跨度。參考相應(yīng)規(guī)范[14-15]和文獻[16-21]對上述指標進行等級劃分，其中施工圍巖擾動，在結(jié)合文獻[19]給出的劃分標準基礎(chǔ)上，通過隧道交叉接口數(shù)對圍巖的擾動程度進一步劃分，每增加一個交叉接口，指標等級降一級。

表2 指標具體量化分級描述

2.2 歐式距離法

歐式距離法是一種簡單、直觀的綜合評價方法。通過對評估指標數(shù)據(jù)的進一步規(guī)范化處理，利用評估指標的權(quán)重與規(guī)范化后的指標數(shù)據(jù)求得歐式距離，最終根據(jù)距離的大小判斷被評價對象的優(yōu)劣程度。

2.2.1 建立評估矩陣

假定各評估指標構(gòu)成的評估矩陣為A

(1)

式中，aij表示第i個評估指標的第j級的量化值，其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

2.2.2 評估矩陣規(guī)范化

對評估矩陣A進行無量綱化處理，構(gòu)建規(guī)范化評估矩陣A′。對于越大越優(yōu)的指標按式(2)進行計算，對于越小越優(yōu)的指標按式(3)進行計算

(2)

(3)

得出規(guī)范評估矩陣

(4)

2.2.3 確定權(quán)重系數(shù)

采用主客觀結(jié)合的“二級賦權(quán)法”，基于既有工程實際，利用專家評判法對圍巖韌性3個影響方面進行“一級賦權(quán)”，得出巖體性質(zhì)、現(xiàn)場施工和設(shè)計方案的權(quán)重分別為0.5，0.15和0.35。再通過地鐵隧道圍巖韌性評估模型中各評估指標對韌性特性的貢獻率進行“二級賦權(quán)”，即在計算時，將吸收能力、適應(yīng)能力和恢復(fù)能力視為單位為“個”的韌性特性度量描述，把各評估指標所具有的韌性特性“個數(shù)”與其所對應(yīng)的影響方面中所有評估指標的韌性特性“總個數(shù)”的比值，作為該評估指標的權(quán)重。

本文提出了一種新的賦權(quán)規(guī)則。該賦權(quán)方式在一定程度上改變了傳統(tǒng)人為賦權(quán)方式的主觀性，使得指標權(quán)重更加符合真實情況，得到相對準確的結(jié)果。

經(jīng)計算，各評估指標的權(quán)重依次為0.25，0.167，0.083，0.1，0.05，0.116，0.117，0.117。

2.2.4 相對等級距離

利用式(5)計算各級標準位置點到最不利點0點的相對距離

(5)

式中，(k=1，2，…，n)是第k級標準位置點到0點的相對距離。

2.2.5 實測數(shù)據(jù)規(guī)范化

不同評估指標的實測數(shù)據(jù)，對于越大越優(yōu)的指標按式(6)進行計算，對于越小越優(yōu)的指標按式(7)進行計算。當實測數(shù)據(jù)超過其所在評估指標的限值時，按其接近的限值計算

(6)

(7)

式中，(i=1，2，…，m)是實測數(shù)據(jù)的處理后的無量綱化規(guī)范形式。

2.2.6 實測各評估指標到最不利點的相對距離

用d表示最終綜合各評估指標到最不利位置點的距離，按式(8)進行計算

(8)

對應(yīng)的具體等級按如下公式計算

(9)

式中，Dk≤d≤Dk+1，d為最終評估所得的歐式距離，k為所對應(yīng)的等級數(shù)。

2.3 確定地鐵隧道圍巖韌性等級

以地鐵隧道圍巖韌性評估指標等級取值建立評估矩陣，結(jié)合表2和式(1)得出地鐵隧道圍巖的韌性評估矩陣為

進一步地，按照式(2)～式(5)計算出圍巖相對等級距離，得出相對距離韌性等級初步判斷對照表，詳見表3。

表3 韌性等級距離標準

由表3可得，地鐵隧道圍巖韌性等級k與歐式距離d對照為

k處于1級范圍：0≤d<0.100 0；

k處于2級范圍：0.100 0≤d<0.192 6；

k處于3級范圍：0.192 6≤d<0.282 3；

k處于4級范圍：0.282 3≤d<0.388 1；

k處于5級范圍：d≥0.388 1。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

以南寧市某地鐵車站為工程背景，該車站為分離島式明暗挖結(jié)合車站。車站隧道位于半成巖地層，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，預(yù)測隧道涌水量約為208 L·(min·10 m)-1。主通道隧道斷面大，主通道、橫通道、斜通道等的交叉節(jié)點多達18處之多，施工相互影響大。在有限空間內(nèi)進行多節(jié)點隧道群施工，安全風險極高，施工難度大。因此，以該地下車站為例，對其下地鐵隧道圍巖進行韌性評估。

主隧道共有A、B、C、D、E 5個不同大小的斷面連接而成，現(xiàn)選取西側(cè)主隧道5處隧道圍巖位置編號1、2、3、4、5為評估對象，其中具體位置如圖3所示。編號1為B型截面，交叉接口數(shù)為1；2為C型截面，無交叉接口；3也為C型截面，交叉接口數(shù)為1；4為D型截面，存在2處交叉接口；5為E型截面，也存在2處交叉接口。施工過程中，交叉接口的存在，使得主隧道圍巖擾動程度增大。各截面隧道圍巖的評估指標具體實測數(shù)據(jù)見表4。

圖3 地鐵隧道示意

3.2 地鐵隧道韌性評估應(yīng)用

對該地鐵車站隧道圍巖的實測數(shù)據(jù)按照式(6)、式(7)進行規(guī)范化處理，規(guī)范后無量綱形式詳見表5。

表4 各截面隧道圍巖的評估指標實測數(shù)據(jù)

表5 各圍巖的規(guī)范化數(shù)據(jù)

3.3 評估結(jié)果

在對5處隧道的圍巖韌性評估過程中，將各評估指標對最終韌性結(jié)果的影響做了進一步分析對比，以各指標權(quán)重與規(guī)范化后實測數(shù)值的乘積作為度量值，5處圍巖的各評估指標影響程度見圖4。

圖4 各評估指標影響程度

最終5處隧道的歐式距離分別為0.149 9，0.175 8，0.154 3，0.124 8和0.141 0。對照表3，初步判斷，可得出該地鐵車站的圍巖韌性均處于2級范圍內(nèi)，按照式(9)求得具體韌性等級分別為2.57級，2.87級，2.62級，2.28級和2.47級。

3.4 評估結(jié)果分析

從總體評估結(jié)果來看，該地鐵車站5處地鐵隧道圍巖韌性等級均在2級范圍以內(nèi)，不到3級，表明該地鐵車站隧道圍巖在復(fù)合因素影響下，能夠防止圍巖發(fā)生破壞，依然保持平衡狀態(tài)的性能較差。由圖4可知，各圍巖評估指標實測情況與使圍巖韌性最有利情況下的對照可以看出，該地鐵隧道整體的巖體基本質(zhì)量等級、地下水和隧道跨度產(chǎn)生的不利影響較大，隧道埋深和現(xiàn)場支護效果對圍巖的韌性產(chǎn)生的有利影響較大。鑒于此，在進行隧道開挖施工時，應(yīng)做好超前支護，通過施作管棚，超前小導(dǎo)管等技術(shù)提高巖體工程等級。合理安排降水井的布置，保障現(xiàn)場降水效果，使降水水位穩(wěn)定在隧道底板以下一定高程處。由于設(shè)計隧道跨度偏大，施工時要密切關(guān)注隧道凈空收斂情況。通過以上措施來相對提高圍巖的韌性，保障圍巖的安全性。

僅從巖體結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)特征對圍巖進行評價，是不科學的。同一地層的5處隧道圍巖，盡管巖體性質(zhì)相同，最后的韌性等級也存在差別。編號為2的隧道圍巖韌性等級最高，編號為4的隧道圍巖韌性等級最低，兩處韌性差達到0.59級。產(chǎn)生較大等級差別的主要原因是，編號為4的隧道凈距較小，且其交叉接口數(shù)較多，對圍巖的擾動程度較大。即使隧道斷面，線間距等因素相同的編號2、編號3兩處隧道圍巖，由于編號3處隧道存在交叉接口，對圍巖的擾動性比編號2處隧道圍巖大，其韌性也會降低。在規(guī)劃設(shè)計，建設(shè)施工期間，要充分考慮每一處的具體影響因素，從而進一步完善設(shè)計施工方案。

4 結(jié)論

(1)通過對韌性理論的認識，提出地鐵隧道圍巖韌性的概念，并且構(gòu)建地鐵隧道圍巖韌性評估模型。從圍巖的巖體性質(zhì)、現(xiàn)場施工和設(shè)計方案3個方面，甄選出了包括巖體基本質(zhì)量等級、圍巖初始應(yīng)力、地下水滲水量、施工圍巖擾動、支護方案及效果、隧道埋深、凈距和跨度在內(nèi)的8個評估指標。

(2)將歐式距離法引入到地鐵隧道圍巖韌性評估，其評估結(jié)果與工程實際情況相符。且評估結(jié)果能較為直觀地反映圍巖的韌性程度，為地鐵隧道圍巖韌性的評估提供了一種新的方法。

(3)在評估過程中，將韌性特性進行度量描述，采用“二級賦權(quán)”對評估指標進行賦權(quán)。能夠確定每個評估指標對最終韌性等級結(jié)果的影響程度，在地鐵隧道設(shè)計施工期間，可根據(jù)具體指標的影響程度大小，對隧道圍巖采取有針對性的保護措施，進而提高圍巖的韌性程度。